基于DSP C54x的数字滤波器设计

摘要：本文主要介绍基于DSP的数字滤波器的设计，使用CCS5000Simulator 实现FTSK数据输入, 使用FIR滤波器对FTSK调制信号进行处理，输出需要的波形与频谱。文中采用线性缓冲区和带移位双操作寻址的方法实现FIR滤波器。
关键词：数字滤波器，Matlab，Simulator

前言 

    一个实际的应用系统中，总存在各种干扰。使用DSP进行数字信号处理时，可以从噪声中提取信号，即对一个具有噪声和信号的混合源进行采样，然后经过一个数字滤波器，滤除噪声，提取有用信号；数字滤波器是DSP最基本的应用领域，也是熟悉DSP应用的重要环节。在系统设计中，滤波器的好坏将直接影响系统的性能。

数字滤波器的基本理论和设计 

    对于数字滤波器的系统函数可以表示为:


    可以直接写成表示输出与输入的关系,即常系数线性差分方程:以下是IIR滤波器的表达式


当全部 , 即系统函数和单位抽样响应，则系统是FIR。

    其滤波结构图如图一所示——横向滤波结构 

图一 横向滤波器结构图

    FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算。它不断输入样本，经延时 ，作乘法累加，再输出滤波结果y（n）。在这里使用FIR滤波器，它有以下几个特点：
（1）    系统的单位冲激响应h（n）在有限个n值处不为零；
（2）    系统函数H（z）在|z|>0处收敛，在|z|>0处只有零点，有限z平面只有零点，而全部极点都在z=0处；
（3）    结构主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈。

    这本次设计中FTSK输入数据中包含频率为800HZ，1200HZ，1600HZ，2021HZ，中心频率为1600HZ，提取该频率的信号。利用Matlab设计一个带通滤波器。具体参数为：采样频率为22050HZ，通带宽度为250HZ，则Fpass1=1475HZ，Fpass2=1725HZ，衰减1db，过渡带为200HZ则Fstop1=1275HZ，Fstop2=1925HZ，阻带衰减为30db。运行Matlab获得126阶的带通滤波器，并提取系数。 

用线性缓冲区和带移位双操作数寻址方法实现FIR滤波器

    在这里介绍用线性缓冲区法实现 ，其特点是：
（1）    对于N级的FIR滤波器，在数据存储区中开辟一个称之为滑窗的N个单元的缓冲区，存放最新的N个输入样本。
（2）    从最老的样本开始，每读一个样本后，将此样本向下移位。读完最后一个样本后，输入最新样本至缓冲区的顶部。
在这里N=126，y（n）=  
    在数据存储区中存放系数 ，并设置线性缓冲区存放输入数据。

    具体实现程序如下： 
.title        “simfir126.asm”
.        .global    _firinit    ;两个汇编程序，可作为C语言的调用，一个是初始化滤波器
        .global    _asmfir    ；另一个是滤波器执行程序
        .mmregs
X    .usect    “data1”，127
        .bss        data1，1
SIZE    .set        127
        .data
COEF                    ；从matlab中获得的滤波器系数
；滤波器初始化
        _firinit：
        SSBX    FRCT
        STM    #X+（SIZE-1），AR2
        STM    #（SIZE-2）,AR0
        RET
；滤波器执行：
        _asmfir：
        STL        A，*AR2+0
        RPTZ    A，#（SIZE-2）
        MACD    *AR2-，COEF，A
        STH        A，*AR2
        LD        *AR2+，A
        NOP
        NOP
        RETD
        NOP
        NOP
        .END

Simulator仿真结果分析与硬件调试

    仿真在系统调试中起着重要作用，TI公司也提供了软件仿真器（Simulator）来调试程序。其中提供的探测点（Probe Point）功能非常强大，它是一个开发算法的工具，将计算机文件数据传送到目标板的buffer提供DSP软件应用，同时可以将计算结果输出到计算机文件中供分析，也可以通过CCS提供的图形窗口观察输入输出数据情况。

    在本次设计中利用CCS提供的断点和探测点，指定FTSK数据文件的输入点，进行相关设定，同时利用CCS提供的图形窗口观察输入和输出的波形与频谱。运行程序，分别得到输入波形和频谱图（图二），输出波形和频谱图（图三）下面分别对这两个图形进行分析。

输入波形和频谱图 


图二    输入信号的波形和频谱图

    由图二输入信号的波形图可以看出，输入是有四个不同频率调制的波形。左边第一种图形在一个周期内占大约1格，而一格所占的时间为0.00605/10=0.605ms，所以周期大约为T1=0.605*1=0.605ms，频率为1652Hz。最右边的图形一个周期内约占0.8格，T2=0.605*0.8=0.484ms，频率约为2066Hz。中间的两个图形在一个周期内分别约占2格和1.3格，周期分别约为T3=0.605*2=1.21ms，频率约为826Hz，T4=0.605*1.3=0.7865ms，频率约为1271Hz。这四个频率与输入的800Hz，1200Hz，1600Hz，2021Hz基本相同。由图中的输入频谱同样可以看出有四个频率的输入波形，其频率分别约为2756*3/10=826.8Hz，2756*4.5/10=1240Hz，2756*6/10=1653Hz，2756*7.5/10=2067Hz，与输入的800Hz，1200Hz，1600Hz，2021Hz基本接近。
 
输出波形和频谱图 


图三    输出信号的波形和频谱图

    由图三中的输出信号波形图可以看出滤出的波形在一个周期中约占1格，而一格所占的时间0.00605/10=0.605ms。频率约为1652Hz，与要求滤出1600Hz的要求接近。由图三中的的频谱图可以看出滤出的频谱图的频率约在第6格，则滤出的频率约为2756*6/10=1659Hz，与所要求滤出1600Hz的要求接近。

    根据以上Simulator仿真和结果分析，所设计的滤波器能够很好的满足滤波的要求。Simulator仿真是在进行系统设计中的一个重要环节，有利于提高我们进行硬件调试的成功率。

    基于上面的结果，利用TMS320C5402 DSK系统板进行实验，在一个AD/DA转换的主循环中加入所设计的滤波器，调节信号发生器，对示波器进行观察，可以发现所用的滤波器能很好的满足设计要求。但程序的输入与输出数据读写语句要作相应的修改。
 
结束语
    在进行数字滤波器设计时，还需要以下几点：
（1）在用Matlab设计滤波器时采样频率一定要满足奈奎斯特准则。当采用带通滤波器时，通带宽度一般在200~300Hz，衰减一般为1db，过渡带一般在100~250Hz，阻带衰减一般在30db。
（2）使用探针方法输入数据时，一般要求输入数据是16进制的小数表示，但如果输入10进制的也可以，但需在两次确认之后才可以输入。
（3）在图形窗口观察结果时，如果所观察的图形不明显，可以通过设置幅度值来改善效果。
总之，滤波器设计是我们实际系统应用中重要的一方面，相比传统的R，L，C元件和运算放大器组成的块滤波器，更有发展的潜力。

参考文献：
1．    戴明桢 周建江编著，TMS320C54x DSP结构、原理及应用，北京航空航天大学出版社，2004
2．    郑红 吴冠编著，TMS320C54x DSP 应用系统设计，北京航空航天大学出版社，2003
3．    程佩青编著，数字信号处理教程（第二版），清华大学出版社，2002